Die Forschung deckt auf, wie Pflanzen die „Erinnerung“ an hohen Kohlendioxidgehalt an ihre Nachkommen weitergeben

Neue Forschung unter der Leitung von Keith Slotkin, Ph.D., einem Mitglied des Donald Danforth Plant Science Center, öffnet Wissenschaftlern die Tür, um Pflanzen mit den Werkzeugen auszustatten, die sie benötigen, um sich an steigende Kohlendioxidwerte (CO2), hohe Hitze, und andere Stressoren im Zusammenhang mit dem Klimawandel. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Der neue Phytologe .

Die Forschung zeigt, dass die transgenerationale Vererbung über DNA-Methylierung erfolgte, den Prozess, bei dem Pflanzen DNA „markieren“, ohne den Code der DNA selbst zu ändern, wodurch die Zellen zukünftiger Generationen mit Informationen versorgt werden, wie diese DNA „gelesen“ werden kann. Der Prozess wurde in zwei wichtigen Pflanzenarten, Moos und Arabidopsis, identifiziert und schafft die Möglichkeit, Pflanzen auf das Wachstum unter Stress vorzubereiten, indem die Elternpflanze ähnlich unidealen Wachstumsbedingungen ausgesetzt wird.

„Wir verstehen jetzt die spezifischen DNA-Methylierungsfaktoren, die die Erinnerung an die Stressreaktion ermöglichen“, sagte Slotkin, „also können wir diesen Prozess in Zukunft manipulieren, um Pflanzen zu erzeugen, die dauerhaft widerstandsfähig gegen diesen Stress sind.“

Mit diesem Wissen können Elterngenerationen von Pflanzen absichtlich in einer kontrollierten Umgebung unter Stressbedingungen angebaut werden, die sie an ihre Grenzen bringen, wodurch ihre Nachkommen den Vorteil einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegenüber diesem Stressfaktor erhalten. Beispielsweise könnte eine wichtige Kulturpflanze wie Mais bei extremer Hitze an der Grenze ihrer Überlebensfähigkeit angebaut werden, und die von diesem Mais gesammelten Samen würden zu einer hoch hitzebeständigen Maispflanze führen, die an einem Ort angebaut werden könnte, der es ist steigende Temperaturen erleben.

Diese ungewöhnliche Erinnerung an die Umwelt ist einzigartig für Pflanzen und unterscheidet sich davon, wie Tiere ein genetisches Merkmal wie Augenfarbe oder Größe von einer Generation zur nächsten weitergeben.

Pflanzen, die nicht in der Lage sind, wegzulaufen oder Schutz zu suchen, müssen sich an die Elemente anpassen, um zu überleben. Stressoren wie Dürre oder extreme Temperaturen lösen eine Stressreaktion aus, die über die anfängliche Exposition gegenüber dem Stressor hinaus anhält; Beispielsweise wird eine Pflanze, die extreme Hitze früh in ihrem Wachstumszyklus überlebt, darauf vorbereitet sein, später erneut extreme Hitze zu ertragen, selbst wenn die Hitze beim zweiten Mal extremer ist.

Faszinierenderweise endet diese erhöhte Widerstandsfähigkeit nicht mit dem Lebenszyklus dieser einzelnen Pflanze – die Pflanze kann dieses Verhalten weitergeben und eine zelluläre Erinnerung an Stress an ihre Nachkommen weitergeben.

„Jeder Hinweis, den die Elternpflanze ihren Nachkommen über die Umwelt geben kann, hilft den Nachkommen, am effizientesten auf alles zu reagieren, was sie möglicherweise erleben“, sagte Keith Slotkin, Ph.D. „Es ist ‚was dich nicht umbringt, macht dich stärker‘ in Aktion, über Generationen hinweg.“

Dieses Phänomen wurde bereits früher untersucht, aber die neue Studie konzentrierte sich speziell auf die transgenerationale Vererbung der CO2-Reaktion in zwei wichtigen Pflanzen: Moos und Arabidopsis. Die Untersuchung, wie Pflanzen auf hohe CO2-Konzentrationen reagieren, ist besonders wichtig, da der Klimawandel das Pflanzenwachstum weltweit zu verändern droht. Die Bestätigung der transgenerationalen Vererbung von hohen CO2-Anpassungen in Moos ist signifikant, da es evolutionär weit entfernt von anderen untersuchten Pflanzen ist, was darauf hindeutet, dass dieses Verhalten eine breite Regel für eine Vielzahl von Pflanzen ist. Arabidopsis, eine häufig untersuchte Modellpflanze, ermöglichte es dem Team, die Mechanismen, die für die Etablierung des Stressgedächtnisses und die Weitergabe dieses Gedächtnisses an die nächste Generation verantwortlich sind, genau zu untersuchen.

„Nur im Danforth Center konnten wir dieses vielfältige wissenschaftliche Fachwissen bereits zusammentragen und es dann mit der hochmodernen Pflanzenwachstumsinfrastruktur abgleichen, die es uns ermöglichte, Pflanzen stündlich von oben abzubilden, während sie bei unterschiedlichen CO2-Werten wuchsen“, sagte Postdoctoral Associate Kaushik Panda, Ph.D., der Hauptautor der Studie.

Das Team untersucht derzeit andere wichtige Nutzpflanzen wie Reis und Tabak, um Daten über ihr Verhalten zu sammeln. Sie streben auch ein noch tieferes Verständnis dessen an, was auf molekularer Ebene dieser Prozesse vor sich geht.